Аналіз «зони нечутливості» в регулюючих клапанах

Мертві зони є основною причиною відхилень у надгабаритних процесах. Регулювальні клапани є основним джерелом зони нечутливості в контурі приладів з різних причин, таких як тертя, повітряний рух, скручування золотника, зона нечутливості в підсилювачах або золотникових клапанах.

Мертва смуга є поширеним явищем і відноситься до діапазону або ширини вихідного значення контролера, що не дозволяє змінній процесу, що перевіряється, змінюватися, коли вхідний сигнал змінює напрямок. Коли виникає порушення навантаження, змінна процесу відхиляється від заданого значення. Цей деПорушення потім виправляється за допомогою коригувальних дій, створених контролером, і повертається до процесу. Однак початкова зміна вихідного сигналу контролера може не призвести до відповідної коригуючої зміни змінної процесу. Зміна відповідної змінної процесу відбудеться лише в тому випадку, якщо вихід контролера зміниться на величину, достатню для подолання зміни зони нечутливості.

Якщо вихідний сигнал контролера змінює напрямок, сигнал контролера повинен подолати зону нечутливості, щоб створити коригувальну зміну змінної процесу. Наявність зони нечутливості в процесі означає, що вихідний сигнал контролера має бути збільшений до величини, достатньої для подолання зони нечутливості. і лише тоді будуть вжиті коригувальні дії.

â Причини мертвих зон

Існує багато причин виникнення зон нечутливості, але тертя та рух повітря в регулюючих клапанах, скручування шпинделя поворотних клапанів і зони нечутливості в підсилювачах є кількома поширеними формами. Оскільки більша частина модулюючої керуючої дії складається з невеликих змін сигналу (1% або менше), регулюючий клапан із великою зоною нечутливості може взагалі не реагувати на таку кількість малих змін сигналу. Добре виготовлений клапан повинен бути здатний реагувати на сигнали 1% або менше, щоб ефективно зменшити ступінь відхилення процесу. Однак нерідко клапани мають зони нечутливості 5% або більше. Під час нещодавнього аудиту заводу було виявлено, що 30% клапанів мають більше 4% зони нечутливості. Понад 65% перевірених контурів керування мали зони нечутливості понад 2%.

● Вплив мертвих зон

Цей графік представляє випробування контуру відкритого циклу трьох різних регулюючих клапанів за нормальних умов процесу. Ці клапани мають діапазон кроків від 0,5% до 10%. Необхідні ступінчасті випробування в рідинних умовах, оскільки ці умови дозволяють оцінити роботу всього вузла регулюючого клапана, а не лише приводу клапана, як у випадку більшості стандартних випробувань.

● Тести продуктивності

Деякі випробування роботи регулюючого клапана обмежуються порівнянням вхідного сигналу з ходом штовхача приводу. Це вводить в оману, оскільки ігнорує продуктивність самого клапана.

Важливо виміряти динамічну продуктивність клапана в рідинних умовах, щоб можна було порівняти зміни змінних процесу зі змінами вхідного сигналу для вузла клапана. Якщо тільки шток клапана реагує на зміну вхідного сигналу клапана, то цей тест малоактуальний, оскільки немає корекції відхилень процесу без відповідної зміни керуючої змінної.

У всіх трьох випробуваннях клапана рух штовхача приводу добре реагував на зміни у вхідному сигналі. З іншого боку, клапани значно відрізнялися своєю здатністю змінювати швидкість потоку у відповідь на зміну вхідного сигналу.

Клапан А, змінна процесу (швидкість потоку) добре реагує на вхідний сигнал лише 0,5%.

Клапан B потребує зміни вхідного сигналу більше ніж на 5%, перш ніж він почне добре реагувати на кожен крок вхідного сигналу.

Клапан C, що значно гірше, вимагає зміни сигналу більше ніж на 10%, перш ніж він почне добре реагувати на кожен крок вхідного сигналу.

Загалом здатність клапанів B або C зменшувати відхилення процесу є дуже низькою.

● Тертя

Тертя є основною причиною мертвих зон у регулюючих клапанах. Поворотні клапани дуже чутливі до тертя, спричиненого високим навантаженням на сідло, необхідним для ущільнення. Для деяких типів ущільнень високі навантаження на сідло необхідні для отримання рейтингу закриття. Через високі сили тертя і низьку жорсткість приводу вал клапана перекручується і не може передавати рух керуючому елементу. Як результат, погано сконструйований поворотний клапан може мати велику зону нечутливості, яка явно має вирішальний вплив на ступінь відхилення процесу.

Виробники зазвичай змащують ущільнення поворотних клапанів під час виробничого процесу, але лише після кількох сотень циклів мастильний шар стирається. Крім того, навантаження, спричинені тиском, також можуть спричинити знос ущільнення. У результаті для деяких типів клапанів тертя клапана може зрости на 400% або більше. Це дає зрозуміти, що висновки щодо продуктивності, зроблені на основі даних стандартних типів для оцінки клапанів до того, як крутний момент стабілізується, є оманливими. Клапани B і C показують, що ці вищі коефіцієнти моменту тертя можуть мати руйнівний вплив на продуктивність регулювального клапана.

Тертя сальника є основним джерелом тертя клапанів регулювання непрямого ходу. У цих типах клапанів виміряне тертя може значно відрізнятися залежно від форми клапана та конфігурації сальника.

Цей зазор може спричинити розриви в русі, коли пристрій змінює напрямок. Зазори зазвичай виникають в пристроях з різними конфігураціями зубчастих передач. Рейкові приводи особливо чутливі до зон нечутливості через зазор. Деякі з’єднання шпинделя клапана також мають проблеми з зонами нечутливості.

Незважаючи на те, що тертя можна значно зменшити за допомогою хорошої конструкції клапана, цю проблему важко повністю усунути. Добре розроблений і виготовлений регулюючий клапан повинен бути здатний усунути зони нечутливості через зазори. Щоб досягти оптимальних результатів у зменшенні відхилень процесу, загальний мертвий простір усієї арматури в зборі повинен бути меншим або дорівнювати 1%, а ідеальний результат становить 0,25%.